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Acqua: questa Sconosciuta

Intervento di Aurelio Viglia (*) al Convegno Mondohonline sul tema “L’acqua per la salute dei cittadini e delle città”, tenutosi il 22 marzo 2017 presso l’Ufficio di Informazione a Milano del Parlamento Europeo.

La terra dallo spazio –
La foto è stata ripresa il 24 dicembre 1968
dalla missione USA dell’Apollo 8

Questa conversazione sull’Acqua con la quale ho l’onore di aprire il Convegno  vuole essere soltanto introduttiva alle successive relazioni  che approfondiranno i vari aspetti specialistici. Pertanto, mi soffermerò a presentare la ‘Sconosciuta’ fornendo di essa le principali note segnaletiche e le drammatiche peripezie alle quali sta andando incontro.

Prima di addentrarci nel meraviglioso mondo dell’Acqua, ritengo sia necessario fare un cenno sulle origini di questo composto che ha permesso la vita sul nostro pianeta, detto anche il Pianeta Blu proprio in virtù della sua abbondanza di acqua e quindi della colorazione che esso presenta quando osservato dallo spazio. 

Che l’equazione Acqua = Vita sia inequivocabile è dimostrato dal fatto che gli astronomi oggigiorno cercano nell’universo i pianeti ricchi di acqua per scoprire l’eventuale presenza di altre forme di vita nello spazio. Fino a qualche decennio fa molto si è discusso sull’origine dell’acqua presente sulla Terra. Attualmente, grazie allo studio delle meteoriti e degli isotopi dell’idrogeno presenti nelle molecole d’acqua, si ritiene che essa sia arrivata sulla Terra durante la sua formazione. Come per altri pianeti, alla formazione della Terra hanno contribuito i planetesimi, aggregati solidi di polveri e gas di dimensioni variabili. I planetesimi, a seguito di continue collisioni, si aggregano in corpi di dimensioni maggiori, fino a dare origine ai pianeti.

Al momento della formazione del nostro pianeta, la temperatura del disco di gas, a una distanza di circa 150 milioni di chilometri dal Sole (cioè la distanza a cui si trova la Terra), era troppo elevata per permettere la condensazione dell’acqua. I planetesimi che hanno dato origine alla Terra dovevano, quindi, essere formati da composti refrattari e non contenere acqua. Vista la distribuzione dell’acqua nel sistema solare, si pensava che quella presente sulla Terra fosse stata portata da comete entrate in collisione con il nostro pianeta. Studi recenti sulla composizione isotopica dell’acqua hanno messo in discussione questa ipotesi, suggerendo che l’acqua provenga dagli asteroidi della cintura esterna.

Carta d’identità chimico-fisica dell’Acqua

Composto chimico di formula H2O, anche se ci appare il più comune dei composti essa ha una grande importanza per lo sviluppo della vita grazie alle sue proprietà fisico-chimiche. La molecola dell’acqua presenta un caratteristico insieme di proprietà fisiche e chimiche che rende tra l’altro possibili i fenomeni biochimici e con essi la vita di tutti gli organismi animali e vegetali. Dal punto di vista chimico, è un composto molto stabile che solo a temperature superiori ai 1500°C comincia a decomporsi sensibilmente in idrogeno e ossigeno e la forza attrattiva che tende a mantenere unite tra loro le molecole dell’acqua si definisce legame di idrogeno.

Una delle peculiarità più interessanti dell’acqua è il suo punto di fusione che si colloca a 0°C alla pressione di un’atmosfera; all’aumentare della pressione il sistema in equilibrio S/L neutralizza la sollecitazione diminuendo di volume trasformando una parte di solido in liquido, favorendo la fusione.

Una qualunque sostanza, al passaggio dallo stato liquido a quello solido, diminuisce di volume  (aumenta la densità), per esempio un pezzo di ferro solido affonda in ferro fuso. Con l’acqua accade il contrario: il ghiaccio galleggia sull’acqua. Nello stato liquido i legami idrogeno hanno durata limitata, essi si rompono e si ricostituisco rapidamente, fino a mille miliardi di volte per secondo, consentendo alle molecole di addensarsi maggiormente. Nel ghiaccio il legame idrogeno impone posizioni fisse delle molecole in un reticolo cristallino con coordinazione tetraedrica, più “aperto” rispetto all’insieme delle stesse molecole allo stato liquido. È come se nel ghiaccio vi fossero più “spazi vuoti” che nell’acqua. La pressione tende a favorire la fase che occupa il minor volume; nel ferro è favorita la fase solida, caratterizzata da una maggiore densità,  invece l’acqua è più “pesante” del ghiaccio e, a parità di massa, occupa un volume minore: infatti il ghiaccio ha una densità del 9% in meno rispetto all’acqua. Questa particolarità dell’acqua ha infiniti riflessi sulle condizioni climatiche e metereologiche del nostro pianeta, sui cicli vegetali ed animali e su tutte le condizioni che permettono la vita e il perpetuarsi di ogni forma di vita sulla terra. Essa funziona come il grande termoregolatore del nostro pianeta. 

Tensione superficiale 

Le gocce su una superficie piana tendono a mantenere la forma di mezza sfera, come se l’acqua tendesse a non spargersi. Oppure la goccia, ingrandendosi a poco a poco, sembra stentare a staccarsi dal rubinetto non ben chiuso: essa si “gonfia” fino a che il peso non la fa precipitare. Sembra che l’acqua sia avvolta da una pellicola elastica. Il fenomeno è spiegabile col fatto che l’acqua possiede una elevata tensione superficiale dovuta ai legami idrogeno fra le molecole che, in corrispondenza della superficie di contatto acqua/aria, sono più forti, determinando una condizione paragonabile a quella di una membrana elastica. Essa deve essere lacerata per permettere a piccoli oggetti (anche di densità maggiore) di affondare. È possibile appoggiare uno spillo sulla superficie dell’acqua in un bicchiere senza che esso affondi; successivamente, con un piccolo urto, lo spillo viene aiutato a lacerare quella “membrana” e quindi ad affondare.

Principali dati sulla disponibilità di acqua sulla Terra 

La superficie della Terra o Pianeta Blu è coperta per il 71% di acqua, per un volume pari a 1400 milioni di km³. Il 97% però dell’acqua della Terra è acqua salata che si trova in “oceani e mari”.  Solo il 3% di questa  acqua  è acqua dolce e, di questo, i 2/3 si trovano nei ghiacciai e nei ghiacci polari perenni e solo l’1% risiede nelle falde sotterranee e nell’atmosfera. Se ci riferiamo alla sola “acqua dolce”, pari a circa 35 milioni di km³ (1 km³ è pari a 1.000 miliardi di litri), questa quantità corrisponde solo allo 0,008% dell’acqua del pianeta Terra.

L’acqua dolce che utilizziamo deriva sostanzialmente dalle precipitazioni sul suolo generate dal ciclo dell’acqua. Per meglio raffigurare visivamente la sproporzione fra quantità totale di acqua presente e acqua dolce utilizzabile sul nostro pianeta, è come se il totale fosse una vasca da bagno piena di acqua e  l’acqua dolce appena un cucchiaio.

Ora, fino a quando la popolazione mondiale e le relative attività produttive sono rimaste entro i limiti di produzione di scarti e rifiuti <digeribili> dal sistema autodepurativo naturale, l’Uomo non ha avuto problemi. Allorché però questo punto di equilibrio è stato superato, l’inquinamento delle acque dolci e salate è cresciuto nel tempo agli stessi ritmi della crescita umana e delle sue molteplici attività. Da qui il problema ambientale e l’inquinamento dell’acqua dolce, che abbiamo visto essere una risorsa abbastanza limitata.

Inquinamento dell’Acqua

Inizialmente, il problema principale dell’acqua era la presenza di agenti patogeni, oggi è legato all’inquinamento chimico. Secondo uno studio condotto dalla OMS nel 1985 nell’acqua sono state rinvenute oltre 2000 sostanze chimiche, di cui 750 nell’acqua potabile, la maggior parte delle quali  sono di natura organica e molte di esse hanno caratteristiche mutagene e cancerogene. Generalmente l’inquinamento deriva da scarichi domestici, industriali e agricoli, che contaminano le falde acquifere. Inoltre il consumo di acqua dolce negli ultimi 100 anni è passato da pochi litri/die procapite fino anche a centinaia di litri. Ora, poiché la domanda  di acqua cresce ogni anno mentre le fonti di approvvigionamento calano a causa dell’inquinamento e diventa sempre più difficile reperire corpi idrici con le caratteristiche di qualità chimica e microbiologica che le fonti di approvvigionamento idropotabili devono possedere per poter essere erogate all’utenza, prima o poi si dovrà fare i conti con l’assenza di acqua pulita.

L’inquinamento delle falde è molto subdolo, dal punto di vista della tutela dell’acqua come risorsa dell’uomo. Le acque sotterranee, infatti, una volta inquinate hanno uno scarso potere depurativo e mostrano tempi di recupero della qualità originaria molto lunghi. L’acqua utilizzata nel settore agricolo, industriale e civile spesso possiede sostanze che vanno ad alterare l’ecosistema e quindi non devono essere scaricate direttamente nei corsi d’acqua. I più comuni agenti inquinanti delle acque sono gli scarichi fognari, i liquami zootecnici non adeguatamente trattati, le sostanze inorganiche tossiche quali ioni di metalli pesanti, fosfati e polifosfati presenti in detersivi, fertilizzanti, composti fosforati e azotati, ecc. Fra le sostanze organiche non naturali, sono presenti i diserbanti, gli antiparassitari, gli insetticidi, ecc. Queste sostanze sono vantaggiose per l’agricoltura ma possono inquinare sia le acque sia il suolo.

Tra queste sostanze si trovano anche i solventi organici utilizzati dalle industrie, come ad esempio la trielina, l’acetone, il benzene, ecc., sostanze che devono essere eliminate prima che l’acqua venga scaricata. Oli liberi e emulsionanti: sono sostanze non solubili e dalla densità bassa, per questo formano degli strati superficiali di film oleosi che impediscono lo scioglimento dell’ossigeno nell’acqua; non è un fenomeno raro e può provocare veri e propri disastri ecologici. Solidi sospesi: sono composti di varia natura che rendono l’acqua torbida e impediscono alla luce solare di passare; quando si depositano sul fondo, impediscono la crescita della vegetazione. Calore, acidi e basi forti: derivano soprattutto da scarichi industriali, diminuiscono la solubilità dell’ossigeno, modificano la temperatura e il pH dell’ambiente, causando alterazioni patologiche, oppure la scomparsa di organismi viventi o, al contrario, l’apparizione di altri.

Come è già stato accennato, l’autodepurazione dei corpi idrici dai contaminanti naturali o biotici è un processo possibile ma è lento e quindi non in linea con la crescente richiesta di acqua da parte dell’umanità. Per gli inquinanti non naturali o xenobiotici è invece necessario l’intervento dell’uomo con le sue tecnologie depurative.

Anche il mare ha una grande capacità di autorigenerazione, in grado di neutralizzare gli interventi di inquinamento dell’uomo. Ma se l’attività umana continuerà a perseguire lo sfruttamento incontrollato e insostenibile di una risorsa che sembra (ma non è) inesauribile, tale capacità rigenerativa verrà meno e comprometterà in via definitiva la capacità del mare di compiere correttamente tutte le funzioni vitali che ci fornisce attualmente.

L’Acqua di mari e oceani  

L’utilizzo dell’acqua del mare e lo sfruttamento delle sue risorse possono comportare seri danni se non avvengono seguendo modalità che ne garantiscono un uso sostenibile. In molti casi, purtroppo fin dall’antichità, il mare è stato erroneamente considerato come un’enorme discarica in cui buttare senza alcuna esitazione rifiuti e sporcizia di vario genere. Oggi, le principali cause di inquinamento dei mari e degli oceani possono essere:

  • le sostanze inquinanti provenienti da attività umane, scaricate nei fiumi e da questi portati al mare (sostanze organiche, degradabili o meno, provenienti dagli scarichi urbani)
  • i prodotti organici di origine agricola come fitofarmaci e fertilizzanti, inquinanti degli scarichi industriali
  • il petrolio rilasciato dalle petroliere o piattaforme petrolifere in seguito a incidenti, o a pratiche non corrette seguite nelle fasi di pulizia dei serbatoi o di scaricamento dell’acqua di zavorra
  • i prodotti radioattivi rilasciati durante i test nucleari, ormai sospesi a livello mondiale, e nel corso del ciclo di produzione del combustibile atomico
  • il surriscaldamento delle acque costiere, dovuto alle acque calde provenienti dagli impianti di raffreddamento delle industrie
  • lo sviluppo urbano incontrollato sulle coste e il turismo di mare, nella sua forma di fenomeno di massa incontrollato
  • la discarica di scorie nucleari e tossiche
  • la discarica di contenitori di plastica e altri rifiuti solidi non biodegradabili.

L’acqua negli organismi viventi

La vita si è sviluppata nell’acqua o meglio in quello che gli studiosi chiamano brodo primordiale. Sembra che prima si siano formati degli amminoacidi e poi via via alcune molecole più complesse in grado di autoreplicarsi e quindi le prime forme di vita. Questo ricordo ancor oggi tutti gli esseri viventi lo portano dentro di sé e la fecondazione prima, l’embrione dopo e il feto si sviluppano dentro un ambiente liquido acquoso. Nell’uomo adulto il cervello è fatto per il 70% d’acqua, il sangue per l’82%, i polmoni quasi per il 90%. Ogni cellula del nostro corpo è ricchissima di molecole d’acqua. Ed è grazie alla capacità dell’acqua di sciogliere un numero elevatissimo di sostanze che l’uomo, così come le piante e gli animali, è in grado di assimilare gli elementi nutritivi, i minerali e tutti quei composti chimici necessari per la sopravvivenza. Ad esempio, i carboidrati entrano nel nostro stomaco attraverso il cibo mangiato, ma possono essere “metabolizzati” e darci energia solo grazie all’acqua che, attraverso il sistema sanguigno, li trasporta dall’intestino alle singole cellule dove vengono “bruciati” per produrre energia.

Ugualmente, i rifiuti e le tossine prodotti dal metabolismo vengono espulsi dal nostro organismo disciolti nell’acqua che beviamo e che eliminiamo nell’urina o quando sudiamo. La stessa respirazione degli animali terrestri avviene attraverso il veicolo acquoso. L’ossigeno costituisce il 20% dell’aria che respiriamo; esso può sciogliersi in acqua, ma con una quantità dieci volte inferiore. Per questo motivo gli organismi acquatici devono possedere organi respiratori particolarmente efficaci per utilizzare la minor quantità di ossigeno in acqua. Anche l’anidride carbonica (CO2) dall’atmosfera si scioglie in acqua e la sua presenza negli ambienti acquatici è indispensabile per i processi fotosintetici degli organismi fotoautotrofi  (alghe e piante acquatiche), alla base delle catene alimentari, soprattutto nelle acque stagnanti.

L’atmosfera è un grande serbatoio di ossigeno per mari, laghi e fiumi. Nella maggior parte dei casi, nelle acque vi è una quantità di ossigeno disciolto prossimo o pari alla saturazione, quando non addirittura superiore. I pesci respirano con un meccanismo simile a quello degli altri vertebrati. Affinché l’ossigeno possa attraversare la membrana dei vasi capillari ed essere poi trasportato a tutti i tessuti, deve entrare in soluzione in un liquido sia nei Pesci, sia nei Mammiferi. Gli alveoli dei nostri polmoni sono ricoperti da un sottile velo liquido in mancanza del quale lo scambio gassoso non è possibile. Nei Pesci il meccanismo, se da un lato è facilitato dal contatto diretto con l’acqua, dall’altro è reso più delicato dalla minor quantità di ossigeno disciolto nell’ambiente liquido rispetto all’aria. Inoltre con temperature elevate diminuisce la concentrazione di ossigeno. Di conseguenza le specie ittiche con il metabolismo più accelerato (maggiori consumatrici di ossigeno, come la trota) vivono in acque relativamente fredde e rese più ossigenate dalla turbolenza provocata da salti sulle rocce. Pesci tipici di questi ambienti (carpe, tinche, pesci gatto…) necessitano di poco ossigeno (anche solo 4 mg/l) in quanto si muovono poco, consumando poca energia. L’ambiente è tranquillo (assenze di turbolenze come correnti, vortici, salti che sono invece tipiche dei fiumi) e la disponibilità di cibo è notevole.

 Usi industriali dell’Acqua 

La purezza dell’acqua è un requisito fondamentale per alcuni tipi di industria, quali l’alimentare e l’industria farmaceutica, per non parlare dell’industria biotecnologica e micronanoelettronica che è quella con i parametri più restrittivi.

L’acqua è la materia prima più importante nel settore farmaceutico, dei prodotti di bellezza e cura del corpo, e nei settori biotecnologici. È necessaria acqua ultrapura per una gamma di applicazioni, mentre l’acqua pura è il mezzo ausiliario primario utilizzato nella produzione di pillole e di unguenti o per il risciacquo di confezioni sterili. Sono quindi imposti standard estremamente elevati in termini di purezza e sterilità nella produzione di diverse qualità di acqua. Il trattamento delle acque per queste applicazioni altamente sensibili richiede una combinazione della tecnologia più avanzata e decenni di esperienza. La produzione e gestione dell’acqua pura e ultrapura ha un’incidenza non trascurabile sui costi di produzione dell’industria farmaceutica. Viene da sè che il progressivo inquinamento delle fonti primarie di approvvigionamento conduce a costi di purificazione sempre più elevati.

Per l’industria alimentare valgono più o meno le stesse considerazioni fatto salvo che i parametri di purezza, tranne alcune eccezioni (costituite da quei prodotti borderline fra farmaceutica e alimentare) sono meno stringenti. L’industria alimentare fa un notevole uso di vapore (cottura e sterilizzazione di alimenti) per produrre il quale è indispensabile disporre di acqua a basso contenuto salino per evitare intasamenti graduali ai generatori di vapore, che comportano un inevitabile aumento dei costi di gestione. Inoltre, le aziende alimentari nei loro processi produttivi hanno bisogno di acqua rispondente ai limiti imposti dalle vigenti normative per la idoneità al consumo umano. Alcuni tipi di inquinanti possono essere rimossi più facilmente, mentre altri necessitano di impianti più particolari con tecnologie dedicate.

Un caso particolare è costituito dall’industria della microelettronica e della nanoelettronica dove gli standard qualitativi richiesti sono attualmente i più stringenti. Gli inquinanti da eliminare non sono tanto le forme patogene, siano essi virus o batteri, quanto quelle inorganiche corpuscolate dal momento che la produzione di micro/nano-circuiti (sempre più richiesti dal mercato) richiede superfici esenti da micro/nano  impurezze.

Per concludere, niente parole di circostanza ma soltanto un’immagine che vuole ricordarci il nostro meraviglioso pianeta e il ruolo della Sconosciuta: il salto delle cascate Vittoria.      

 

(*) Comitato  Scientifico  Mondohonline

(**) Video dell’intervento di A. Viglia: https://www.youtube.com/watch?v=lY71IboQrBI

         Link al video degli interventi di tutti i relatori, in sequenza: http://mondohonline.com/wp/?page_id=13765

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